电子节气门系统控制原理和发展现状

电子节气门系统控制原理和发展现状

江禹陶

（同济大学中德学院车辆工程专业）

摘要：介绍电子节气门系统的基本结构、工作原理、控制策略及其发展现状。指出，电子节气门的普及势在必然。

关键词：电子节气门；结构；原理；控制策略

1 前言

节气门的作用是控制发动机的进气流量，决定发动机的运行工况。驾驶员通过操作加速踏板来操纵节气门开度。加速踏板和节气门的连接方式有两种：刚性连接和柔性连接。传统油门采用刚性连接，即通过拉杆或拉索传动连接加速踏板和节气门的机械连接方式，因此节气门开度完全取决于加速踏板的位置，即驾驶员的操作意图，但从动力性和经济性角度来看，发动机并不总是完全处于最佳运行工况，而且驾驶员的误操作也给安全性带来隐患。在混合动力车中，由于发动机和电池组成多能源动力系统，刚性连接方式不能实现各动力源之间的能量分配管理，因此，它必将被柔性连接方式所取代。柔性连接方式取消了传统的机械连接，通过电控单元控制节气门快速精确地定位，因此又称为电子节气门。它的优点在于能根据驾驶员的需求愿望以及整车各种行驶状况确定节气门的最佳开度，保证车辆最佳的动力性和燃油经济性，并具有牵引力控制、巡航控制等控制功能，提高安全性和乘坐舒适性。

本文通过阐述电子节气门系统的基本结构、工作原理、控制策略和发展现状，使读者对电子节气门有深入的理解。

2电子节气门系统的基本结构和工作原理

2.1 电子节气门系统的基本结构

电子节气门系统的基本结构主要包括：

l 加速踏板位置传感器

加速踏板位置传感器由两个无触点线性电位器传感器组成，在同一基准电压下工作，基准电压由ECU提供。随着加速踏板位置的改变，电位器阻值也发生线性的变化，由此产生反应加速踏板下踏量大小和变化速率的电压信号输入ECU。

l 节气门位置传感器

和踏板位置传感器类似，节气门位置传感器也是由两个无触点线性电位器传感器组成，且由ECU提供相同的基准电压。当节气门位置发生变化时，电位器阻值也随之线性地改变，由此产生相应的电压信号输入ECU，该电压信号反映节气门开度大小和变化速率。

l 节气门控制电机

节气门控制电机一般选用步进电机或直流电机，经过两级齿轮减速来调节节气门开度。早期以使用步进电机为主，步进电机精度较高、能耗低、位置保持特性较好，但其高速性能较差，不能满足节气门较高的动态响应性能的要求，所以现在比较多地采用直流电机，直流电机精度高、反应灵敏、便于伺服控制。

l 控制单元（ECU）

控制单元（ECU）是整个系统的核心，包括两部分：信息处理模块和电机驱动电路模块。信息处理模块接受来自加速踏板位置传感器的电压信号，经过处理后得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号发送到电机驱动电路模块。

电机驱动电路模块接受来自信息处理模块的信号，控制电机转动相应的角度，使节气门达到

或保持相应的开度。电机驱动电路应保证电机能双向转动。

2.2 电子节气门系统的工作原理

电子节气门系统的工作原理如下：驾驶员操纵加速踏板，加速踏板位置传感器产生相应的电压信号输入节气门控制单元，控制单元首先对输入的信号进行滤波，以消除环境噪声的影响，然后根据当前的工作模式、踏板移动量和变化率解析驾驶员意图，计算出对发动机扭矩的基本需求，得到相应的节气门转角的基本期望值。然后再经过CAN总线和整车控制单元进行通讯，获取其他工况信息以及各种传感器信号如发动机转速、档位、节气门位置、空调能耗等等，由此计算出整车所需求的全部扭矩，通过对节气门转角期望值进行补偿，得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门达到最佳的开度位置。节气门位置传感器则把节气门的开度信号反馈给节气门控制单元，形成闭环的位置控制。

节气门驱动电机一般为步进电机或直流电机，两者的控制方式也有所不同。驱动步进电机常采用H桥电路结构，控制单元通过发出的脉冲个数、频率和方向控制电平对步进电机进行控制。电平的高低控制步进电机转动的方向，脉冲个数控制电机转动的角度，即发出一个脉冲信号，步进电机就转动一个步进角，脉冲频率控制电机转速，转速与脉冲频率成正比。因此，通过对上述三个参数的调节可以实现电机精确定位与调速。

控制直流电机采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。控制单元通过调节脉宽调制信号的占空比来控制直流电机转角的大小，电机方向则是由和节气门相连的复位弹簧控制的。电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比。当占空比一定，电机输出转矩与回位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增大时，电机驱动力矩克服回位弹簧阻力矩，节气门开度增大；反之，当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小[2]。

ECU对系统的功能进行监控，如果发现故障，将点亮系统故障指示灯，提示驾驶员系统有故障。同时电磁离合器被分离，节气门不再受电机控制。节气门在回位弹簧的作用下返回到一个小开度的位置，使车辆慢速开到维修地点。

3 电子节气门系统的控制策略

3.1 基于发动机扭矩需求的节气门控制[5]

传统油门的节气门开度完全取决于驾驶员的操作意图。电子节气门系统的节气门开度并不完全由加速踏板位置决定，而是控制单元根据当前行驶状况下整车对发动机的全部扭矩需求，计算出节气门的最佳开度，从而控制电机驱动节气门到达相应的开度。因此，节气门的实际开度并不完全与驾驶员的操作意图一致。

控制单元根据整车扭矩需求获得所需的理论扭矩，而实际扭矩通过发动机转速、点火提前角和发动机负荷信号求得。在发动机扭矩调节过程中，控制单元首先将实际扭矩与理论扭矩进行对比，如果两者有偏差，发动机电控系统将通过适当的调节作用使实际扭矩值和理论扭矩值一致。

3.2 传感器冗余设计

电子节气门系统采用2个踏板位置传感器和2个节气门位置传感器，如图2所示，传感器两两反接，实现阻值的反向变化，即两个传感器阻值变化量之和为零。对两个传感器施加相同的电压，两者输出的电压信号也相应反向变化，且其和始终等于供电电压。传感器输出电压与节气门开度的对应关系如图3所示。

图2 节气门传感器接线图

图3 传感器输出电压与节气门开度对应关系

从控制角度讲，使用一个传感器就可使系统正常运转，但冗余设计可使两个传感器相互检测，当一个传感器发生故障时能及时被识别，在很大程度上增加了系统的可靠性，保证行车的安全性。

3.3 可选的工作模式[1]

驾驶员可根据不同的行车需要通过模式开关选择不同的工作模式，通常有正常模式、动力模式和雪地模式三种，区别在于节气门对加速踏板的响应速度不同，如图4所示。在正常模式下，节气门对加速踏板的响应速度适合于大多数行驶工况。在动力模式下，节气门加快对加速踏板的响应速度，发动机能提供额外的动力。在附着较差的工况下（比如：雪地，雨天）驾驶员可选择雪地模式驾驶车辆，此时节气门对加速踏板的响应降低，发动机输出的功率比正常情况下小，使车轮不易打滑，保持车辆稳定行驶。

图4 不同模式下节气门开度和加速踏板位置的对应关系

3.4 海拔高度补偿[1]

在海拔较高的地区，大气压下降，空气稀薄，氧气含量下降，导致发动机输出动力下降。此时电子节气门系统可按照大气压强和海拔高度的函数关系对节气门开度进行补偿，保证发动机输出动力和加速踏板位置的关系保持稳定。

图5 海拔高度补偿效果

3.5控制功能扩展及其原理

早期的电子节气门功能比较简单，在形式上采用一个机械式的主节气门串联一个电控的辅助节气门，往往只能实现某一单一的功能。现代电子节气门则独立成一个系统，可实现多种控制功能，既提高行驶可靠性，又使结构简化，成本降低。主要有如下控制功能：

l 牵引力控制（ASR）

牵引力控制系统又称驱动防滑系统。它的作用是当汽车加速时将滑移率控制在一定的范围内，从而防止驱动轮快速滑动。它的功能一是提高牵引力；二是保持汽车的行驶稳定。它通过减少节气门开度来降低发动机功率从而达到控制目的。原理如下：控制单元采集加速踏板的位置、车轮速度和方向盘转向角度等信号，通过计算求得滑移率，并产生相应的控制电压信号，通过数据总线把信号传送至控制单元，依据此信号，控制单元将减少节气门开度来调整混合气流量，以降低发动机功率。此时控制单元对节气门发出的控制信号将不受驾驶员驾驶意图的影响，这样就可以避免驾车者的误操作。

l 巡航控制（CCS）

巡航控制系统又称为速度控制系统，它是一种减轻驾车者疲劳的装置。当驾驶员开启该系统时，车速将被固定下来，驾驶员不必长时间踩踏加速踏板。原理如下：车速传感器将车速信号输入控制单元，控制单元根据行驶阻力的变化输出信号自动调节节气门开度，当汽车阻力增大（上坡）和车速降低时，控制节气门开度增大，反之减小，使行驶车速保持稳定。

l 怠速控制（ISC）

电子节气门系统取消了怠速调节阀，而是直接由控制单元调节节气门开度来实现车辆的怠速控制。

l 减少换档冲击控制

根据当前车速、节气门开度以及发动机转速等信号，控制单元选择合适的传动比，实现自动换档。

4 电子节气门系统的发展现状

电子节气门的研究工作起源于20世纪70年代，80年代开始有产品问世，近10年来，国外对电子节气门的研究取得了非常迅速的发展。发展趋势可总结为：在控制策略上由线性控制发展为非线性控制，由辅助电子节气门发展为独立的电子节气门系统，从单一的控制功能发展到集成多种控制功能，兼顾提高动力性、经济性、操纵稳定性、排放性和乘坐舒适性。目前，国外多家公司已对电子节气门系统作了深入的研发，比如德国Bosch，Pierburg，美国Delphi，Visteon，日本Toyota，Hitachi，Denso，意大利Marelli等已推出系列化产品应用于各种品牌的中高档轿车。虽然国内某些轿车，如POLO，也配备了电子节气门系统，但目前对ETC还没有系统深入的研究，也没有成熟的产品。

5 结束语

电子节气门系统的研发已有了很大的进步，但在技术上仍不成熟，因此应用也并不十分广泛，但是电子节气门系统对提高车辆动力性、经济性、安全性、乘坐舒适性，降低排放有重大意义。在21世纪新能源开发和电控技术飞速发展的形势下，随着生产成本下降以及排放要求不断提高，电子节气门系统的普及使用将成为必然。

参考文献：

[1] Daniel McKay, Gary Nichols, Bart Schreurs. Delphi Electronic Throttle Control Systems for Model Year 2000; Driver Features, System Security, and OEM Benefits. ETC for the Mass Market. SAE Technical Paper Series, USA, 2000-01-0556.

[2] Paul G. Griffiths. Embedded Software Control Design for an Electronic Throttle Body. Mechanical Engineering Michigan Technological University, USA, 2000.

[3] 刘汉军,王慧,勾成俊. 丰田智能电子节气门控制系统. 汽车与配件，2000-29.

[4] 周昌林. 发动机电子油门控制. 汽车维修，2002(5).

[5] 廖传书，全书海. 汽车电子节气门的研究. 汽车研究与开发，1996(2).